浅谈精细化工配管中的应力分析

2020-12-21沈辉

安徽化工 2020年6期

沈辉

（中国化学工程第三建设有限公司，安徽合肥230601）

化工工程设计中的配管设计将工艺设计工程化、具体化，其直接影响最终的装置建设。因此，配管设计在整个装置设计中起着十分重要的作用，配管设计水平高低直接关系到装置投资和建成投产后能否长期、安全、平稳运行[1-2]。配管设计中设备布置是否合理，管道材料选用是否合适，管道布置是否科学经济和美观，都将直接影响到整个建设过程。配管设计的正确科学，可以减少装置的建设投资，同时有利于装置投产后的操作和维修，降低装置投产后的运行成本，确保装置的安全生产。

1 应力分析

配管设计首先应满足工艺要求，这是化工设计的基础。同时，配管设计也必须确保管道安装的可操作性和管道运行的安全性、稳定性。其中，管道安全是配管设计需要慎重考虑的部分。配管设计主要包括设备布置、管道布置、管道材料和管道机械等内容，其中管道机械即管道应力分析是确保管道安全稳定运行的重要手段，也是本文主要探讨的内容[1]。

1.1 应力分类

管道应力是管道自身产生的一种内力，是决定管道安全最重要的因素之一，可分为一次应力、二次应力、峰值应力。其中一次应力是由压力、重力等外加载荷作用于管道而产生的内力，其无自限性，随外部载荷增加而不断提高。当其超过管道材料强度（或屈服）极限时，管道将产生不可逆的塑性变形而发生断裂等破坏。二次应力是指管道由于热胀冷缩或者端点附加位移等作用造成管道变形受阻而产生的一种内力，本身不与外力直接平衡。二次应力有自限性，当管道产生少量塑性变形时，即可使应力显著降低。峰值应力则是由于管道某点所受载荷、结构等发生局部突变而造成该点应力显著增大，其管道并不会产生明显变形，但随着时间变化可能会造成管道疲劳破坏或者脆性断裂，一般发生在高温高压或者其他剧烈循环等恶劣工况下[3]。

1.2 应力分析分类

管道的应力分析可分为静力分析与动力分析两类。其中，静力分析是指管道在静载荷作用下的力学分析，其主要内容包括：计算重力、内压等持续载荷作用下的一次应力,防止管道发生强度破坏；计算设备管口、管道法兰等连接处的作用力,防止管口或者法兰受力超限破坏、泄漏；计算管道支吊架受力,保证支吊架安全稳固；对管道柔性进行设计，保证管道有足够柔性吸收由于热胀（冷缩）等附加位移产生的变形。动力分析是指对压缩机等往复机械管道的振动分析以及风载等外载作用下的管道振动分析[3，5]。

在一般精细化工项目中，由于管道工况较为简单温和，高温高压或剧烈循环工况等恶劣工况出现的频率较小，且大多数管道布置在室内或者低高度空间内，所以其管道应力分析主要是静力分析，其中又以进行管道一次应力和二次应力分析为主，较少考虑峰值应力影响。

1.3 应力分析方法

管道应力分析有很多方法，主要方法有经验目测法、计算式判别法、专业软件分析法[3-4]，其中经验目测法最为简单和方便，但其主要依靠分析人员的经验判断，主观性较强，一般适用于经验判断柔性足够的管道或者和已经正常运行管道具有相同或者相似柔性的同类管道等。此方法已经能够满足大部分精细化工管道应力分析的要求。计算式判别法则通过判别式来确定管道柔性，其公式为：

式中：D0—管道外径；L—管道伸展长度；U—管道两端连线长度；δ—管道总热位移量；δ=△X2+△Y2+△Z2[3，5]。

此类方法仅适用于两端固定，无中间约束，无分支，无变径，无变壁厚，非高度危害介质的简单管道。在精细化工管道中，管道操作温度超过100℃时，除了经验判断以外，也可以采用此简单方法进行初步的管道柔性验算，但此方法限制条件过多。当目测法和判别式法都不能准确判定管道柔性时，或者对于较危险工况下的管道，则有必要采用专业应力分析软件进行详细应力分析。目前在工程设计中应用最多的应力分析软件是CARSARⅡ，也是作者在日常工作中使用的主要软件。

2 精细化工管道

2.1 精细化工管道的特点

作者所参与的项目中大多数为精细化工类，故借此文主要谈谈精细化工中的管道应力分析。精细化工项目与石油化工项目相比较而言有着十分明显的区别。首先精细化工装置规模普遍较小，工艺管道管径一般在DN150 以下，生产过程为非高温高压，操作温度一般为0℃～150℃，压力一般不超过1 MPa，大多数是间歇生产。从危险性上说，这种间歇操作的小管径工艺管道比石油化工装置的连续运转的高温高压大管径管道来说安全许多。这些管道通过上述的经验法或者简单计算法就可以初步判断管道柔性是否满足要求，一般不需要进行专门分析计算。

2.2 非热力管道应力分析

上述工艺管道受热胀冷缩作用的影响较小，所需要考虑的应力主要为一次应力。在设计中，一般通过确定合适管道壁厚，就可以满足管道内压载荷要求。在日常设计中所确定的管道壁厚远超过管道所需的最小壁厚要求，由内压造成管道一次应力超限的可能性较小。除通过壁厚控制内压造成的一次应力不超限外，还可以通过合理设置管架支撑管道载荷能够控制由重力载荷所造成的一次应力不超限。如在阀门、小型管道设备等集中载荷附近设置支架,以减少偏心载荷和弯曲应力；设备管嘴附近如有集中载荷，须设置承重支架，以降低管嘴受力；管架间距确保不超过其所支撑的所有管道中每根管道所允许的最大间距中的最小值，并留有一定的富裕，这样能保证管道不产生过大弯曲变形[3，6]。通过以上一系列措施，可以较容易实现非热力工艺管道一次应力不超限。而工程实践中，因为一次应力超限造成管道破坏的事故占所有管道事故的比例也并不大。

2.3 热力管道应力分析

在精细化工项目中，虽然工艺管道操作工况较温和，一般不需要进行专门的应力计算，但公用工程管道中则有饱和蒸汽总管、高温导热油总管等大管径热力管道，其温度较高，管径、壁厚较大，除了要考虑一次应力外，还要重点分析二次应力。根据胡克定律公式：

式中：σ—管材应力；F—固定点推力，N；E—管材弹性模量，MPa；D—管道外径，mm；d—管道内径，mm；△L—管道伸缩量，mm[3]；L—计算管长（两固定点间直线长度），m。

由公式可知，热力管道所受应力与管道材质和温度有关，而固定点所受推力除与管道材质、管道温度，还与管道管径和壁厚有关。因此，操作温度越高，管径、壁厚越大，管道所受应力和固定支架所受推力越大。对于此种高温大管径管道，通过设置足够的承重支架即可以控制管道一次应力不超限，而管道所受二次应力则无法通过简单方法确定，需要进行专门计算。通过应力分析以确保管道拥有足够柔性，这样管道可以通过自身变形吸收热胀冷缩或其他附加位移变形而不造成管道破坏[3]。

通常在配管设计中采用改变管道走向，选用波纹管补偿器等方法改善管道柔性。但由于补偿器较容易发生泄漏，使用多个弯头改变管道走向的方法最为常用[3，5]。同时，正确选用支吊架合理分割管道，能够起到使管道适应变形的作用，如固定支架、导向支架等支架设置的位置和数量都会影响到管道和支架的受力。当然以上措施只是建立在经验判断所做的措施能够满足管道柔性的前提下，对于简单管道确实可行。但对于复杂的管道或者不确定的情况，则有必要用CARSARⅡ等应力软件建模验算，最为稳妥。